Towards a comprehensive control framework for grid-tied power converter systems

Abstract

Este estudo apresenta uma exploração abrangente de inversores de fonte de tensão trifásicos conectados à rede, oferecendo uma perspectiva mais ampla em comparação com abordagens existentes. Ele investiga as interações nos sistemas de controle do inversor, indo além das limitações dos métodos atuais do estado da arte. A pesquisa começa analisando modelos de conversores de potência conectados em paralelo, revelando como variações paramétricas impactam as correntes circulantes de média e alta frequência em conexões de corrente contínua compartilhadas e isoladas. O estudo também investiga a eficácia de técnicas de controle. Ele avalia a aplicabilidade do Regulador Linear Quadrático (LQR) e do Controle Robusto com controladores ressonantes para realimentação de estado. Além disso, o desempenho de um Observador de Modo Deslizante Estendido (ESMO) adaptado para sistemas eletrônicos de potência, especialmente conversores em paralelo, é avaliado. Uma estratégia para controle de corrente de eixo zero é proposta com base em princípios de passividade. Modelos de Espaço de Estado Harmônico Não Linear são desenvolvidos, facilitando a análise de Sistemas Não Lineares Invariantes no Tempo. Esse framework permite a exploração de pontos fixos e estabilidade, com foco específico na interação entre controles de potência ativa e reativa, especialmente em condições de rede fraca. O estudo conclui apresentando uma técnica de sincronização de portadora com o objetivo de minimizar correntes circulantes de alta frequência. Essa estratégia integra conceitos previamente estabelecidos, garantindo uma abordagem robusta. Em essência, este trabalho avança na compreensão da operação e controle de inversores de fonte de tensão trifásicos, fornecendo insights valiosos para o progresso de sistemas de energia conectados à rede.

Abstract: This study presents a comprehensive exploration of grid-connected Three-Phase Voltage Source Inverters, offering a broader perspective compared to existing approaches. It investigates interactions within inverter control systems, going beyond the limitations of current state-of-the-art methods. The research begins by analyzing models of parallelconnected power converters, revealing how parametric variations impact medium- and high-frequency circulating currents in both shared and isolated dc connections. The study also investigates the efficacy of control techniques. It assesses the applicability of Linear Quadratic Regulator (LQR) and Robust Control with resonant controllers for statefeedback. Additionally, the performance of a Extended Sliding-Mode Observer (ESMO) tailored for power electronic systems, especially paralleled converters, is evaluated. A strategy for zero axis current control is proposed based on passivity principles. Nonlinear Harmonic State-Space models are developed, facilitating the analysis of Nonlinear Time-Invariant Systems. This framework enables the exploration of fixed points and stability, with a specific focus on the interplay between active and reactive power, particularly in weak grid conditions. The study concludes by presenting a carrier synchronization technique aimed at minimizing high-frequency circulating currents. This strategy integrates previously established concepts, ensuring a robust approach. In essence, this work advances the understanding of Three-Phase Voltage Source Inverters? operation and control, providing valuable insights for the progress of grid-connected power systems.